Многопозиционная система наблюдения

Изобретение относится к области управления полетами летательных аппаратов (ЛА) и может быть применено в многопозиционных системах наблюдения воздушного пространства, используемых для управления полетами ЛА на трассе движения и в районе аэродромов.

Многопозиционная система наблюдения (МПСН) относится к радиотехническим средствам обзора воздушного пространства с разнесенными приемными сенсорами и общим сервером для приема и объединения принятых сенсорами сигналов, излучаемых ЛА, с последующей оценкой параметров положения (координат) обнаруженных ЛА.

В МПСН измерение параметров пространственного положения обнаруживаемых ЛА производится путем привязки сигналов, принимаемых приемными сенсорами, к отсчетам единого времени, общего для всех сенсоров (временная синхронизация сенсоров), и последующей оценки разности времен прихода сигналов в приемные каналы сенсоров с учетом известного пространственного положения сенсоров.

Известны МПСН, отличающиеся вариантами временной синхронизации приемных сенсоров с помощью различных источников единого времени.

Известна МПСН, в которой синхронизация приемных сенсоров выполняется от одного источника времени (общих часов), формирующего периодические импульсы (метки) времени [1, Figure 10]. В указанной МПСН на аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 6, входы которых подключены к выходам соответствующих приемников 5 с приемными антеннами 4, всех приемных сенсоров 1 подаются одинаковые метки единого текущего времени, вырабатываемые высокостабильным генератором общих часов 3 и привязывающие (синхронизирующие) идентичные фрагменты сигналов, принимаемых N приемными сенсорами 1, к единой временной шкале (фиг. 1).

Общие часы 3, вырабатывающие единое текущее время, в зависимости от взаимного расположения сервера 2 и разнесенных сенсоров 1 могут располагаться как в составе МПСН на сервере 2 или в одном из приемных сенсоров 1, так и снаружи МПСН (фиг. 1).

Синхронизация от общих часов 3 требует передачи сигнала единого времени по аналоговым или цифровым физическим линиям наземной проводной связи или по каналам воздушной радиосвязи (каналам передачи данных), которые должны без искажений, с известными калиброванными временными задержками (в частном случае, одинаковыми) в реальном времени передать разветвленные сигналы единого времени во все приемные сенсоры 1. Практическая реализация высокостабильных физических линий передачи аналоговых (цифровых) сигналов с одинаковыми или фиксированными калиброванными временными задержками является сложной технической задачей и требует дополнительных материальных и строительных затрат.

Известна МПСН, в которой синхронизация приемных сенсоров 1 не требует использования общих часов, наличия высокостабильных физических линий передачи сигналов с одинаковыми или фиксированными калиброванными временными задержками и выполняется от внешних эталонных сигналов времени, принимаемых в МПСН по радиоканалу от спутников глобальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС) или глобальной системы позиционирования (GPS и т.п.) [1, Figure 13]. В таких МПСН в каждом сенсоре 1 устанавливаются идентичные местные часы 3 и дополнительные приемники ГЛОНАСС/GPS 7 для приема спутниковых сигналов, синхронизирующих местные часы 3 для синхронной работы аналого-цифровых преобразователей 6 разнесенных сенсоров 1 (фиг. 2). Глобальная спутниковая система используется для предоставления общего эталонного сигнала единого времени для каждого из приемных сенсоров 1. Спутниковые сигналы отличаются высокой точностью и стабильностью системного времени, что является важным фактором для обеспечения точного измерения параметров положения объектов наблюдения. Это время может быть использовано в качестве общего единого времени для всех сенсоров 1.

Синхронизация МПСН с помощью ГЛОНАСС и GPS проще по сравнению с вариантом использования внешних общих часов (фиг. 1), так как не требуется установка дополнительного внешнего оборудования, не нужна прокладка каналов связи и не требуется выполнение условия обеспечения одинаковых или фиксированных калиброванных временных задержек передачи сигналов в сенсорах.

Недостатком МПСН, использующих ГЛОНАСС и GPS, является ухудшение и нарушение работоспособности при замираниях спутниковых сигналов, обусловленных изменением параметров ионосферы и магнитного поля земли, а также появлением мешающих сигналов сторонних радиоэлектронных средств. Другой недостаток - необходимость использования в сенсорах 1 дополнительного оборудования в виде приемников ГЛОНАСС/GPS 7, работающих на несущих частотах передатчиков спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. Дополнительно к недостаткам можно отнести возможность глушения и подмены сигналов ГЛОНАСС и GPS.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является МПСН [1, Figure 12]. МПСН-прототип содержит N (не менее 3-х) идентичных приемных сенсоров 1, каждый из которых содержит приемник 5 с приемной антенной 4, АЦП 6 и местные часы 3, общий сервер 2, N входов которого подключены к выходам N сенсоров 1, а также передатчик контрольного радиосигнала 8 (фиг. 3). АЦП 6 приемных сенсоров 1 тактируются тактовыми импульсами идентичных местных часов 3. В МПСН-прототипе синхронизация приемных сенсоров 1 обеспечивается без использования внешних общих часов с каналами передачи данных и выполняется по внешнему контрольному радиосигналу, создаваемому передатчиком контрольного радиосигнала 8 и направляемому в МПСН по радиоканалу. Передатчик контрольного радиосигнала 8, содержащий формирователь контрольного радиосигнала 9 и передающее устройство 10 с передающей антенной 11, устанавливается в зоне расположения МПСН в некоторой точке земной поверхности с известными координатами при обязательном условии обеспечения прямой радиовидимости всех приемных сенсоров 1. В сервере 2, объединяющем выходные сигналы сенсоров 1, выполняется оценка временного положения сигналов, принимаемых от объекта наблюдения сенсорами 1, относительно тактовых импульсов местных часов 3 и контрольного радиосигнала.

В МПСН-прототипе контрольный радиосигнал излучается передатчиком контрольного радиосигнала 8 на несущей частоте, совпадающей с несущей частотой радиосигналов, излучаемых обнаруживаемым ЛА, и принимается теми же антеннами приемных сенсоров 1, на которые поступают радиосигналы от ЛА. Поступление в приемные каналы сенсоров 1 меток времени, маркеров или других идентичных фрагментов контрольного радиосигнала обеспечивает привязку (синхронизацию) местных часов 3 всех приемных сенсоров 1 к единой временной шкале.

Недостатком МПСН-прототипа является необходимость установки и использования дополнительного оборудования - внешнего передатчика контрольного радиосигнала 8 в пределах прямой видимости приемных сенсоров 1.

Другим недостатком МПСН-прототипа является понижение характеристик измерения координат ЛА ввиду ухудшения работоспособности МПСН при нестабильной работе или выходе из строя передатчика контрольного радиосигнала 8, при постоянном или временном затенении передатчика контрольного радиосигнала 8 естественными и преднамеренными статичными или движущимися препятствиями в направлении на сенсоры, а также при воздействии радиопомех. Понижение характеристик измерения координат ЛА, возникающее в условиях меняющегося качества работы передатчика контрольного радиосигнала 8, а также меняющейся затеняющей и помеховой обстановки, обусловлено тем, что не учитывается возможность дополнительной синхронизации сенсоров МПСН от альтернативных источников единого времени, что не позволяет повышать точность и надежность системы. Отсутствие дополнительной синхронизации сенсоров МПСН не позволяет также совершенствовать МПСН - повышать ее надежность и точность, присоединяя иные источники получения синхронизирующей информации, например, такие как радиосигналы местных телевизионных центров.

При разработке предлагаемого изобретения решалась техническая проблема, заключающаяся в создании МПСН, лишенной указанных выше недостатков.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и надежности МПСН.

Указанный технический результат достигается тем, что МПСН управления воздушным движением, содержащая N (не менее 3) идентичных приемных сенсоров 1, каждый из которых содержит приемник 5, приемную антенну 4, АЦП 6 и местные часы 3, сервер 2, N входов которого подключены к выходам соответствующих N сенсоров 1, а также передатчик контрольного радиосигнала 8, содержащий формирователь контрольного радиосигнала 9 и передающее устройство 10 с передающей антенной 11, дополнительно снабжена частотно-разделительным устройством (ЧРУ) 12, подключенным входом к выходу приемной антенны 4 и состоящим из параллельно включенных фильтра высоких частот (ФВЧ) 17 и фильтра нижних частот (ФНЧ) 18, объединенные входы которых являются входом ЧРУ 12, выход ФВЧ подключен ко входу приемника 5 и является первым выходом ЧРУ 12, приемником телевизионного сигнала (ТВС) 14, вход которого подключен к выходу ФНЧ 18, являющемуся вторым выходом ЧРУ 12, дополнительным АЦП 15, сигнальный вход которого подключен к выходу приемника ТВС 14, а тактирующий вход - к выходу местных часов 3, формирователем строба управления 13, вход которого подключен к выходу местных часов 3, и коммутатором 16, первый (сигнальный) вход которого подключен к выходу АЦП 6, второй (сигнальный) вход - к выходу дополнительного АЦП 15, третий (управляющий) вход к выходу формирователя строба управления 13, а выход является выходом сенсора 1.

На фиг. 1 представлена известная функциональная схема МПСН, в которой синхронизация приемных сенсоров 1 выполняется от одного источника времени (общих часов), формирующего периодические импульсы (метки) времени.

На фиг. 2 представлена известная функциональная схема МПСН, в которой синхронизация приемных сенсоров 1 не требует использования общих часов и выполняется от внешних эталонных сигналов времени, принимаемых в МПСН по радиоканалу от спутников глобальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС) или глобальной системы позиционирования (GPS и т.п.) [1, Figure 13].

На фиг. 3 представлена функциональная схема МПСН-прототипа [1, Figure 12].

На фиг. 4 представлена функциональная схема заявляемой МПСН.

На схемах использованы следующие обозначения:

1 - сенсор,

2 - сервер,

3 - часы,

4 - приемная антенна,

5 - приемник,

6 - аналого-цифровой преобразователь,

7 - приемник ГЛОНАСС/GPS,

8 - передатчик контрольного радиосигнала,

9 - формирователь контрольного радиосигнала,

10 - передающее устройство,

11 - передающая антенна,

12 - частотно-разделительное устройство,

13 - формирователь строба управления,

14 - приемник телевизионного сигнала,

15 - дополнительный аналого-цифровой преобразователь,

16 - коммутатор,

17 - фильтр высоких частот,

18 - фильтр нижних частот.

Осуществление предлагаемой МПСН состоит в следующем.

Сигналы от передающей антенны обнаруживаемого ЛА и сигналы от передающей антенны 11 передатчика контрольного радиосигнала 8 принимаются приемными антеннами 4 каждого из N (не менее 3) идентичных приемных сенсоров 1, проходят соответствующие фильтры высоких частот 17, пропускающие радиосигналы ЛА, а также передатчика контрольного радиосигнала 8 и блокирующие прохождение телевизионных сигналов, усиливаются в соответствующих приемниках 5, настроенных на согласованный прием импульсных последовательностей сигналов ЛА, а также передатчика контрольного радиосигнала 8, и преобразуются в цифровой код в дискретные моменты времени при помощи тактовых импульсов, вырабатываемых местными часами 3, в соответствующих аналого-цифровых преобразователях 6. Полученные цифровые последовательности с выходов АЦП 6 подаются на вход 1 соответствующих коммутаторов 16.

Одновременно телевизионные сигналы от местного телевизионного центра принимаются приемными антеннами 4 каждого из N сенсоров 1, проходят соответствующие фильтры нижних частот 18, пропускающие телевизионные сигналы и блокирующие прохождение высоких частот сигналов ЛА и передатчика контрольного радиосигнала 8, усиливаются в соответствующих приемниках ТВС 14, настроенных на согласованный прием ТВС, и преобразуются в цифровой код в дискретные моменты времени при помощи тактовых импульсов, вырабатываемых местными часами 3, в соответствующих дополнительных АЦП 15. Полученные цифровые последовательности с выходов дополнительных АЦП 15 подаются на вход 2 соответствующих коммутаторов 16.

Коммутация цифровых кодов сигналов ЛА, передатчика контрольного радиосигнала 8 и телевизионных сигналов для обеспечения их последовательной передачи с выхода каждого из N сенсоров 1 на соответствующий вход сервера 2 выполняется в коммутаторе 16 путем использования выходного сигнала формирователя строба управления 13, поступающего на управляющий вход коммутатора 16 и представляющего собой, например, 2-битовый двоичный код, значение которого меняется в зависимости от вида пропускаемого сигнала. При этом, например, при значении кода 00 на выход коммутатора 16, являющийся выходом сенсора 1, могут пропускаться сигналы ЛА, при коде 01 - контрольные радиосигналы передатчика контрольного радиосигнала 8, а при коде 11 - ТВС.

Таким образом, с выхода каждого из N сенсоров 1 по соответствующим каналам связи на сервер 1 последовательно поступают принятые сенсорами 1 сигналы ЛА, контрольные радиосигналы передатчика контрольного радиосигнала 8 и телевизионные сигналы.

В сервере 2 МПСН известным образом (подобно аналогу и прототипу) принятые от N сенсоров 1 сигналы ЛА используются для определения пространственных координат ЛА, а сигналы передатчика контрольного радиосигнала 8 - для обеспечения взаимной временной синхронизации сенсоров 1. Прием сенсорами 1 и передача на сервер 2 телевизионных сигналов позволяет обеспечить дополнительную относительную временную синхронизацию сенсоров 1, что повышает достоверность обнаружения, точностные характеристики и надежность измерения координат ЛА в МПСН.

Сигнал, посланный ЛА, принимается N сенсорами 1, расположенными друг от друга на некотором расстоянии, в разное время, зависящее от расстояний между ЛА и сенсорами 1. Разница во времени приема сигнала ЛА двумя произвольными сенсорами 1 описывается пространственным гиперболоидом, на котором находится ЛА. Пересечение гиперболоидов, соответствующих отдельным парам сенсоров 1, определяет конкретную точку расположения ЛА в пространстве. Таким образом, определяется точное местонахождение объекта в пространстве. Так как основным параметром для расчета координат точки расположения ЛА в пространстве является время прихода сигнала, то на первый план выходит синхронизация всех приемных сенсоров 1 по времени и точность определения времени.

С целью количественной оценки уменьшения ошибки (погрешности) синхронизации при использовании ТВС в дополнение к синхронизации от контрольного радиосигнала определим величину зависимости средней квадратической ошибки (СКО) синхронизации радиосигналов ЛА, принимаемых сенсорами, в случае одновременной временной привязки (синхронизации) при помощи контрольных радиосигналов и ТВС.

Время текущей привязки (синхронизации) радиосигнала ЛА к контрольному радиосигналу в сенсоре определим выражением

где Т - истинное (действительное) текущее время приема радиосигнала ЛА сенсором, определяемое расстоянием между сенсором и ЛА,

Δt₁ - ошибка (погрешность) привязки (синхронизации) радиосигнала ЛА к контрольному радиосигналу в сенсоре.

Время текущей привязки (синхронизации) радиосигнала ЛА к ТВС в сенсоре определим аналогичным выражением

где Δt₂ - ошибка привязки (синхронизации) радиосигнала ЛА к ТВС в сенсоре.

Из выражений (1) и (2) следует, что время одновременной текущей привязки (синхронизации) радиосигнала ЛА к контрольному радиосигналу и ТВС в сенсоре с учетом статистической независимости синхронизации по каналам контрольного радиосигнала и ТВС можно определить выражением

Из выражения (3), полагая, что величины Δt₁ и Δt₂ распределены по равномерному закону с нулевым средним значением, с учетом статистической независимости ошибок синхронизации по каналам контрольного радиосигнала и ТВС получим среднее значение величины Т₁₂ в сенсоре

Средний квадрат времени одновременной привязки (синхронизации) радиосигнала ЛА к контрольному радиосигналу и ТВС определим из (3) выражением

где - дисперсия временной синхронизации радиосигнала ЛА к контрольному радиосигналу, равная средней величине квадрата Δt₁,

- дисперсия временной синхронизации радиосигнала ЛА к ТВС, равная средней величине квадрата Δt₂.

Используя выражения (4) и (5), получим выражение для дисперсии одновременной синхронизации радиосигнала ЛА по контрольному радиосигналу и ТВС.

Из выражения (6) определяется СКО синхронизации радиосигналов ЛА, принимаемых сенсорами, при одновременной временной привязке (синхронизации) при помощи контрольных радиосигналов и ТВС

Как следует из выражения (7), при условии что для ТВС современных телевизионных центров выполняется на практике, и одновременной временной привязке (синхронизации) радиосигналов ЛА, принимаемых сенсорами, при помощи контрольного радиосигнала и ТВС СКО временной синхронизации радиосигналов ЛА уменьшается по сравнению с вариантом синхронизации только по контрольному радиосигналу.

В частном идеализированном случае, когда величина результирующая СКО синхронизации уменьшится в 2 раза (по сравнению с вариантом синхронизации только по контрольному радиосигналу)

Для наиболее вероятной практической ситуации, когда СКО уменьшится в ~1,41 раза

Таким образом, использование ТВС в дополнение к синхронизации от контрольного радиосигнала значительно уменьшает ошибку (погрешность) синхронизации радиосигналов ЛА, принимаемых сенсорами, и поэтому соответственно пропорционально уменьшает ошибку измерения координат ЛА в МПСН.

Введение в заявляемую МПСН приема и использования телевизионных сигналов путем введения в каждый из N сенсоров 1 частотно-разделительного устройства 12, состоящего из параллельно включенных ФВЧ 17 и ФНЧ 18, приемника ТВС 14, дополнительного АЦП 15, формирователя строба управления 13 и коммутатора 16 для дополнительной относительной временной синхронизации сенсоров 1, повышающей надежность работы и точностные характеристики МПСН, не использовались ни в одной из известных МПСН для определения местоположения ЛА.

Такая совокупность отличительных признаков отсутствует и в аналогах, и в прототипе, что доказывает соответствие предложенной МПСН критерию «новизна».

Таким образом, при анализе уровня техники не выявлены объекты, имеющие такую же совокупность признаков, как и заявляемое изобретение, а, следовательно, оно является новым.

Изобретательский уровень предложенной МПСН подтверждается тем, что в результате поиска не выявлены МПСН, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения. Все прослеживаемые направления совершенствования МПСН, отраженные в известной научно-технической литературе, связаны с использованием временной синхронизации при помощи общих часов или сигналов единого времени GPS и ГЛОНАСС или сигналов, поступающих от внешнего передатчика контрольных радиосигналов. Это означает, что заявляемое изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, а значит, имеет изобретательский уровень.

Пример конкретного осуществления составных частей МПСН. В качестве сенсора 1, содержащего приемную антенну 4, приемник 5, АЦП 6 и местные часы 3, может быть использована приемная станция серийной интегрированной МПСН «Альманах», производимая Научно-производственным предприятием (НПП) «ЦРТС», в качестве сервера 2 может быть использован сервер обработки МПСН «Альманах», производимый НПП «ЦРТС», в качестве передатчика контрольного радиосигнала 8 может быть использована передающая станция МПСН «Альманах» или малогабаритный передатчик «ГНОМ», производимые ООО «НПП «ЦРТС», а также самолетный ответчик СО-2010, производимый Институтом авиационного приборостроения (АО «Навигатор»).

Другие составные части предлагаемой МПСН могут представлять собой соответствующие функциональные блоки и функциональные элементы МПСН «Альманах», производимые НПП «ЦРТС», а также имеющиеся в продаже соответствующие стандартные функциональные блоки или стандартные функциональные элементы, серийно изготавливаемые и поставляемые различными производителями и компаниями.

Так фильтр высоких частот 17 и фильтр нижних частот 18, образующие ЧРУ 12, могут быть реализованы при помощи микросхем соответственно SALF-680+ и ТНР-1050+ производителя Mini-Circuits, формирователь строба управления 13 и коммутатор 16 могут быть реализованы на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) типа «Cyclone IV» компании производителя «Altera», приемник 5 и приемник ТВС 14 могут быть реализованы при помощи модуля широкополосного программно управляемого приемника типа AD9361 или типа AD9371 компании производителя «Analog Devices», подключаемого к модулю цифровой обработки сигналов соответственно типа ZedBoard Zynq-7000 ARM/FPGA SoC Development Board компании производителя «Digilent. A National Instruments Company» или типа Xilinx Zynq-7000 SoC ZC706 Evaluation Kit компании производителя Xilinx, местные часы 3 - при помощи генератора тактовых сигналов на микросхеме типа LTC6952 (AD9544) или прямого цифрового синтеза сигналов на микросхеме типа AD9912 компании производителя «Analog Devices».

Таким образом, заявляемое изобретение является промышленно применимым. Кроме управления воздушным движением изобретение может использоваться в других отраслях промышленности, где требуется определение местоположения источников радиоизлучения в пространстве: морская, наземная и воздушная радионавигация, топография, геологоразведка и т.п. Оно обладает преимуществами перед известными техническим решениями, состоящими в повышении достоверности обнаружения и точностных характеристик измерения параметров положения источников радиоизлучения, что обуславливает его технико-экономическую эффективность.

Литература

1. National Aerospace Laboratory NLR (2005), NLR-CR-2004-472, Wide Area Multilateration, Report on EATMP TRS 131/04, Version 1.1 [Электронный ресурс]. URL:https://ext.eurocontrol.int/lexicon/index.php/Wide_area_multilateration#Definition_Source/_ (дата обращения: 25.10.2019); URL:https://docplayer.net/50791604-Wide-area-multilateration-report-on-eatmp-trs-131-04-version-1-1.html (дата обращения: 25.10.2019)

2. «Альманах» - интегрированная много позиционная система наблюдения в аэродромной и трассовой зонах [Электронный ресурс]. URL:http://www,npp-crts.ru/production/multilateratsiya/almanakh/ (дата обращения: 25.10.2019)

3. «ГНОМ» - малогабаритный передатчик АЗНВ [Электронный ресурс]. URL:http://www.npp-crts.ru/production/aznv/gnom/ (дата обращения: 25.10.2019)

4. Самолетный ответчик СО-2010 [Электронный ресурс]. URL:https://navigat.ru/products/samoletnye-otvetchiki/so-2010/ (дата обращения: 25.10.2019)

5. Mini-circuits [Электронный ресурс]. URL:https://www.minicircuits.com/ (дата обращения: 25.10.2019)

6. Intel FPGA Cyclone [Электронный ресурс]. URL:https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/products/programmable/cyclone-series.html (дата обращения: 25.10.2019)

7. Описание AD9361 [Электронный ресурс]. URL:https://www.analog.com/en/products/ad9361.html#product-overview (дата обращения: 25.10.2019)

8. Описание AD9371 [Электронный ресурс]. URL:https://www.analog.com/en/products/ad9371.html (дата обращения: 25.10.2019)

9. ZedBoard Zynq-7000 ARM/FPGA SoC Development Board [Электронный ресурс]. URL:https://store.digilentinc.com/zedboard-zynq-7000-arm-fpga-soc-development-board/ (дата обращения: 25.10.2019)

10. Xilinx Zynq-7000 SoC ZC706 Evaluation Kit [Электронный ресурс]. URL:https://www.xilinx.com/products/boards-and-kits/ek-z7-zc706-g.html (дата обращения: 25.10.2019)

11. Analog Devices продукты «Тактовый сигнал и синхронизация» [Электронный ресурс]. URL: https://www.analog.com/ru/products/clock-and-timing.html (дата обращения: 25.10.2019).